非線性旋轉式振動能量采集器

西華師范大學電子信息工程學院 劉小亞 代顯智

1 引言

近幾年來，無線傳感器、無線通信網絡、嵌入式系統、便攜式設備以及微機電系統(MEMS) 技術不斷發展，但為之提供電源的傳統電池因為壽命周期短、污染環境、維護費用高等缺點[1,2]，已經不能滿足其供電需求。利用能量采集器將自然界中的振動能量轉換為電能，可解決電子系統供電問題。

振動能量采集器大都采用懸臂梁感應環境的振動，但多數懸臂梁采集器只能響應環境振動中單一頻率成分，比如：2008年，Wang等人利用磁致伸縮材料結合線圈采集振動能量，加速度為9.8m/s2保持不變時，輸出功率密度為0.28mW/cm3[3]；2010年，代顯智等人采用磁致伸縮/壓電層合磁電換能器設計了一種振動能量采集器，在加速度為0.5g，頻率為33Hz的條件下，采集器獲得了112.4μW的功率[4]；2009-2010年，楊進等人設計的振動能量采集器在1g加速度下，輸出功率密度達到0.472 mW/cm3[5-7]。雖然這些采集器都有比較高的功率密度，但單頻限制了振動能量采集器的使用范圍。也有研究者利用懸臂梁方式實現了寬頻能量采集，比如：2012年楊進等人采用磁致伸縮/壓電層合材料設計的寬帶振動能量采集器，振動加速度為0.2g(g = 9.8 m/s2)時，采集器響應頻帶寬5.0Hz，負載電阻為1900Ω時，其功率達到最大0.22mW[7]；2013年，岳喜海等人設計的具有環形磁路的采集器可以拾取0°～180°多方向的振動能量，各個方向響應頻帶寬度達到4.4～5.6Hz,負載電阻為3MΩ時，其功率達到最大0.5mW[1]。雖然使用懸臂梁也能實現寬頻能量采集，但在大振幅振動下，容易造成懸臂梁斷裂。另外，由于采集器的輸出功率和頻率成正比，輸出功率低，因此在低頻條件下無法提高輸出功率。可以采用倍頻的方式提高輸出功率，但以上這些采集器都無法實現倍頻，無法提高低頻時的輸出功率。

振動能量轉換為電能主要有這四種工作方式：壓電式[8,9]、電磁式[10]、靜電式[11]和磁電式[12-14]。其中，磁電方式利用了磁致伸縮/壓電層合材料的磁電效應發電，由于磁致伸縮材料具有很高的能量密度和磁機耦合系數，同時聲速低，居里點溫度高，在磁場變化很小的作用下，能使層合材料產生較大的電壓輸出，所以磁電方式具有輸出電壓和輸出功率密度高等優點[7,14]。

因此，本文針對磁電方式能量采集裝置的特點以及懸臂梁存在的缺點，設計了一種旋轉磁電式的采集器，文中討論了該采集器的工作原理，并對采集器進行實驗研究。

2 采集器工作原理

振動能量采集器由支座、轉軸、扇形塊、磁電換能器等組成，其結構示意圖如圖1（a）所示，實物圖如圖1（b）所示。固定在轉軸上的兩個扇形塊由鋁扇形塊和鋼扇形塊組合而成，其中鋁扇形塊用以固定釹鐵硼磁鐵，鋼扇形塊作為導磁材料增強磁場，六個長方體的釹鐵硼磁鐵分別嵌入在兩個鋁扇形塊中，其極性排列如圖1（a）所示。在這種極性排列下，三對永磁體會產生一個高梯度的磁場。磁電換能器由Terfenol-D/PZT/Terfenol-D構成，固定在采集器支座上，且以轉軸為中心偏離鉛垂位置70度固定換能器。當換能器處在扇形塊上中間一對磁鐵正對的位置時，采集器能夠獲得更高的電壓輸出。扇形塊在自身的重力和磁力作用下處于靜平衡位置，此時切向磁力最小。當扇形塊偏離磁電換能器時，切向磁力會增大，這個切向磁力起到回復力的作用，在振動作用下，扇形塊可繞靜平衡位置來回地擺動。由于空氣間隙中的磁場是非均勻磁場，在擺動過程中，磁電換能器將感應到變化的磁場，在變化磁場的作用下，磁致伸縮層產生機械應變，機械應變傳遞到壓電層，產生電能輸出，實現了機械能到電能的轉換[4]。

實驗中采集器的磁鐵采用NdFeB磁鐵，尺寸為10mm×6mm×5mm，同一扇形塊平面上兩磁鐵中心線之間的夾角為40度，兩扇形塊之間的間距為14mm，鋁扇形塊的厚度為5mm，鋼扇形塊厚度為3mm。磁電換能器中Terfenol-D和PZT尺寸均為12mm×6mm×1mm，其中Terfenol-D磁化方向為長度方向，PZT極化方向為厚度方向。

圖1 振動能量采集器圖（a）結構示意圖，（b）實物圖

3 實驗結果及討論

振動能量采集器的實驗裝置如圖2所示，任意波形信號發生器33220A產生一個正弦信號，這個信號經過功率放大器PA-1200放大，放大后的信號驅動振動臺ESS-015振動，振動臺的振動使采集器產生電輸出，其輸出電壓由數字示波器TBS1002進行測量。振動臺加速度的大小由加速度傳感器和測振儀YE5932B測量。

圖2 采集器實驗裝置

圖3 開路電壓輸出波形

經過多次試驗測試發現：采集器的電輸出有明顯的倍頻特性。在振動加速度0.3g，振動頻率17.3Hz時，開路電壓輸出波形如圖3所示。從圖3中可看出采集器能實現倍頻，可提高采集器的輸出功率。

保持加速度為0.5g和1g不變時，采集器輸出峰峰電壓值隨著頻率變化的關系曲線如圖4所示。從圖中可以看出，采集器具有較強的弱非線性特性，該采集器能實現寬頻能量采集。

圖4 峰峰電壓值隨頻率變化關系曲線，(a)0.5g加速度，（b）1g加速度

根據圖4（a）可以看出，保持加速度0.5g不變，在頻率緩慢下降過程中，頻率約為17.3Hz時，輸出電壓最大，其最大峰峰電壓值達到66.4V。若將峰峰值超過20V的頻率帶寬作為有效帶寬，采集器有效頻率帶寬為2.7Hz；在頻率緩慢上升的過程中，有效頻率帶寬為1.2Hz，最大峰峰電壓值為44.8V，對應頻率為18.8Hz。從圖4（b）中可以看出，在頻率緩慢下降過程中，有效頻率帶寬為7.3Hz，最大峰峰電壓值為108V,對應頻率為13.7Hz；在頻率緩慢上升過程中，有效頻率帶寬為3.3Hz，最大峰峰電壓值為69.6V，對應頻率為17.4Hz。同時也看出：加速度越大，輸出峰峰電壓值越大，相應的有效頻帶也更寬；在頻率下降過程中測得的最大峰峰電壓值和有效帶寬都高于上升過程中的電壓值和有效帶寬。

4 結論

本文針對懸臂梁式振動能量采集器大振幅振動下梁容易斷裂的缺點，設計了一種旋轉式采集器，該采集器具有寬頻特性，同時，具有明顯的倍頻特性，在低頻振動環境中可以提高輸出功率。文中描述了它的工作原理并對該采集器進行了實驗研究。實驗結果表明：在保持加速度0.5g不變時，輸出峰峰電壓值最高可達66.4V，有效頻率帶寬約為2.7Hz；在保持加速度為1g不變時,測得輸出峰峰電壓值最高可達108V，有效頻率帶寬約為7.3Hz。加速度越大，輸出電壓峰峰值越大，相應的有效頻帶也更寬；在頻率下降過程中測得的最大電壓峰峰值和有效帶寬都高于上升過程中的電壓值和有效帶寬。實驗制作的采集器的輸出電壓和功率不是很高，可在本實驗的基礎上對磁路進行優化設計，將換能器改成磁致伸縮/壓電單晶換能器，可進一步提高采集器的輸出電壓和功率。本文提出的采集器具有倍頻和寬頻特性，能在低頻振動環境中，輸出較高的功率，具有良好的應用前景。

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